CN111785750A - 背照式图像传感器 - Google Patents

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顾珍
田志
王奇伟
陈昊瑜
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Abstract

本发明提供了一种背照式图像传感器。所述背照式图像传感器中对应于像素区和光学黑体区，半导体基底中分别形成有多个第一沟槽隔离和多个第二沟槽隔离，第一沟槽隔离和第二沟槽隔离均从半导体基底的背面沿远离所述背面的方向延伸且具有相同的深度，而第一沟槽隔离的宽度小于所述第二沟槽隔离的宽度。第一沟槽隔离可以隔离照射到像素区的各像素的入射光，并有助于使入射光发生折射以增加入射光的光程，增加图像传感器的量子效率，而光学黑体区中，较宽的第二沟槽隔离可以有效阻挡来自像素区的散射光进入光学黑体区，有助于提高背照式图像传感器的成像质量和色阶覆盖范围。

Description

背照式图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种背照式图像传感器。
背景技术
背照式图像传感器通过向没有布线层的背面接收入射光，避免了金属线路和晶体管对入射光的阻碍，相比正照式图像传感器具有更高的宽容度，更快的数据吞吐率，以及更佳的低光照成像能力，已经成为图像传感器的主流。
图1为一种背照式图像传感器的平面示意图。如图1所示，现有的一种背照式图像传感器中，基底上设置有像素区101以及包围像素区101的光学黑体区(Optical black)102。像素区101的中心区域设置有阵列排布的功能像素，功能像素通过光电二极管进行光电转换，光学黑体区102的表面被遮光材料(即光学黑体)遮挡，光学黑体可以屏蔽入射光，可以看作传感器的参考像素，通过测量在参考像素中产生的参考电荷量并将参考电荷量与从像素区101的功能像素产生的感测电荷量进行比较，从感测电荷量与参考电荷量之间的差异来计算从像素区101输入的光信号，可以调节图像的输出。
随着汽车工业、物联网和监控设备的发展，背照式图像传感器的应用范围已逐步扩大，对背照式图像传感器的成像性能的要求也越来越高，例如，用于车载记录仪和监控设备的背照式图像传感器在暗光条件下(入射光主要为近红外光时)也需要获取更多的图像细节，具有较好的成像效果。
但是，研究发现，现有兼具近红外和可见光成像的图像传感器的成像质量和色阶覆盖范围仍然不够理想。
发明内容
为了提高图像传感器的成像质量，扩大色阶覆盖范围，本发明提供一种背照式图像传感器。
本发明提供的背照式图像传感器包括背面作为光入射面的半导体基底，在平行于背面的平面内，所述半导体基底上设置有像素区以及包围所述像素区的光学黑体区；对应于所述像素区，所述半导体基底中形成有多个第一沟槽隔离，对应于所述光学黑体区，所述半导体基底中形成有多个第二沟槽隔离，所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离均从所述背面沿远离所述背面的方向延伸且具有相同的深度，而所述第一沟槽隔离的宽度小于所述第二沟槽隔离的宽度。
可选的，所述第二沟槽隔离的宽度为所述第一沟槽隔离的宽度的3～6倍。
可选的，所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离的深度范围为1.4μm～2.0μm。
可选的，多个所述第一沟槽隔离等间距平行设置，多个所述第二沟槽隔离等间距平行设置，且所述第一沟槽隔离之间的间距与所述第二沟槽隔离之间的间距相等。
可选的，所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离包括填充材料，所述填充材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。
可选的，在平行于背面的平面内，所述像素区包括有效像素区和位于所述光学黑体区与所述有效像素区之间的虚设像素区，其中，用于生成图像的有效像素对应于所述有效像素区设置；对应于所述有效像素区，所述半导体基底在任意两个相邻的第一沟槽隔离间设置有第三沟槽隔离，所述第三沟槽隔离从所述背面沿远离所述背面的方向延伸，所述第三沟槽隔离的深度小于所述第一沟槽隔离的深度。
可选的，对应于所述虚设像素区，所述半导体基底至多在部分相邻第一沟槽隔离间设置有所述第三沟槽隔离。
可选的，距离所述光学黑体区最近的一个所述第一沟槽隔离和距离所述虚设像素区最近的一个所述第二沟槽隔离之间未设置所述第三沟槽隔离。
可选的，距离所述光学黑体区最近的前若干个所述第一沟槽隔离和距离所述虚设像素区最近的前若干个所述第二沟槽隔离之间未设置所述第三沟槽隔离。
可选的，所述第一沟槽隔离的深度为所述第三沟槽隔离的深度的1.5～3倍。
本发明的背照式图像传感器中，对应于像素区的半导体基底中形成的第一沟槽隔离可以隔离照射到像素区的各像素的入射光，同时，可以使入射光(尤其是近红外光)在半导体基底中进行多次反射，增加了入射光的光程，从而使得入射光可以与半导体基底充分作用，产生较多的光电子，有助于图像传感器捕获较多的电荷，增大背照式图像传感器的量子效率(QE)，提高背照式图像传感器的成像质量；而且，对应于光学黑体区的半导体基底中形成的第二沟槽隔离的宽度大于第一沟槽隔离，可以有效阻挡来自像素区的散射光进入光学黑体区，减小散射光对光学黑体区的影响，有助于增大背照式图像传感器的色阶覆盖范围并进一步提高图像传感器的成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例的背照式图像传感器的平面示意图。
图2为沿图1中AA方向的半导体基底的剖面示意图。
图3a为一种光学黑体区未设置沟槽隔离的背照式图像传感器的剖面示意图。
图3b为图3a所示的背照式图像传感器的光互扰仿真模拟图。
图4a为一种光学黑体区和像素区设置第一沟槽隔离的背照式图像传感器的剖面示意图。
图4b为图4a所示的背照式图像传感器的光互扰仿真模拟图。
图5a为一种光学黑体区以及像素区设置第一沟槽隔离和第三沟槽隔离的背照式图像传感器的剖面示意图。
图5b为图5a所示的背照式图像传感器的光互扰仿真模拟图。
图6为本发明一实施例的背照式图像传感器沿图1中AA方向的剖面示意图。
图7为本发明另一实施例的背照式图像传感器沿图1中AA方向的剖面示意图。
附图标记说明：
100-半导体基底；101-像素区；101a-有效像素区；101b-虚拟像素区；102-光学黑体区；103-第一沟槽隔离；104-第二沟槽隔离；105-第三沟槽隔离。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的背照式图像传感器作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
图2为沿图1中AA方向的半导体基底的剖面示意图。参考图1和图2，背照式图像传感器包括背面作为光入射面的半导体基底100，在平行于半导体基底背面的平面上，所述半导体基底100上设置有像素区101以及包围像素区101的光学黑体区102。像素区101的中心区域设置有阵列排布的功能像素，功能像素通过光电二极管进行光电转换，光学黑体区102的半导体基底表面形成有遮光材料层(即光学黑体)，以屏蔽入射光进入光学黑体区102，所述光学黑体区102可以看作图像传感器的参考像素。
如图2所示，像素区101的半导体基底中形成有多个第一沟槽隔离103。所述第一沟槽隔离103可以隔离照射到像素区的各像素的入射光，同时，可以使入射光(尤其是近红外光)在半导体基底100中进行多次反射，增加了入射光的光程，从而使得入射光可以与半导体基底100充分作用，产生较多的光电子，有助于图像传感器捕获较多的电荷，增大图像传感器的量子效率(QE)，提高背照式图像传感器的成像质量。
参考图2，为了提高背照式图像传感器在暗光条件下的表现，可以采用背部散射技术(Backside scattering technology)来进一步增强图像传感器对入射光(尤其是近红外光)的捕获。具体的，可以在第一沟槽隔离103间设置深度较小的浅沟槽隔离(第三沟槽隔离105)，第三沟槽隔离105可以增加入射光(尤其是近红外光)的散射，与第一沟槽隔离103配合设置，可以进一步增加入射光的反射次数，增加入射光的光程，从而进一步增加背照式图像传感器的量子效率(QE)，提高背照式图像传感器的成像质量。
但是，发明人研究发现，对于图2所示的设计，靠近光学黑体区102边缘的近红外光散射容易对光学黑体区102造成干扰，影响背照式图像传感器的成像质量和色阶覆盖范围。例如，当背照式图像传感器要呈现全黑图像时，光学黑体区提供的色阶数值为0，当要呈现全白图像时，光学黑体区提供的色阶数值为255，此时背照式图像传感器的可探测色阶范围为0-255；但是，若是光学黑体区受到干扰时，背照式图像传感器不能呈现全黑图像，例如光学黑体区提供的最低色阶数值为5，呈现全白图像时，光学黑体提供的色阶数值还是为255，此时背照式图像传感器的可探测色阶范围为5-255。可见，光学黑体区受到干扰时，背照式图像传感器的可探测色阶范围降低，即背照式图像传感器的色阶覆盖范围降低。进一步说明如下。
图3a为一种光学黑体区未设置沟槽隔离的背照式图像传感器的剖面示意图。图3b为图3a所示的背照式图像传感器的光互扰仿真模拟图。如图3a所示，入射的近红外光从半导体基底100的背面进入时，由于该图像传感器的光学黑体区102对应的的半导体基底100中未设置有沟槽隔离，近红外光可以照射进入光学黑体区102，照射进入的近红外光对光学黑体区102产生高强度的干扰(如图3b所示)。
图4a为一种光学黑体区和像素区设置第一沟槽隔离的背照式图像传感器的剖面示意图。图4b为图4a所示的背照式图像传感器的光互扰仿真模拟图。如图4a所示，入射的近红外光从半导体基底100的背面进入时，像素区101对应的半导体基底100上的第一沟槽隔离103会使得入射光进行多次反射，有助于增加入射光的光程，而且，光学黑体区102对应的半导体基底100中设置的第一沟槽隔离103可以阻挡入射光传播过程中产生的部分散射光进入光学黑体区102，因而散射光对光学黑体区102的影响强度较小(图4b所示)。
图5a为一种光学黑体区以及像素区设置第一沟槽隔离和第三沟槽隔离的背照式图像传感器的剖面示意图。图5b为图5a所示的背照式图像传感器的光互扰仿真模拟图。如图5a所示，入射的近红外光从半导体基底100的背面进入后，由于第一沟槽隔离103和第三沟槽隔离105的配合作用，近红外光可以发生高频率的反射，大幅度的增加近红外光的散射，此时，对于对应于光学黑体区102设置的第一沟槽隔离103，其对散射光进入光学黑体区102的阻挡作用较差，使得光学黑体区102的边缘容易受到较大强度的干扰(如图5b所示)。
为了解决上述问题，本实施例提供一种背照式图像传感器。图6为本发明一实施例的背照式图像传感器沿图1中AA方向的剖面示意图。参考图1和图6，所述背照式图像传感器包括背面作为光入射面的半导体基底100，在平行于背面的平面内，所述半导体基底100上设置有像素区101以及包围所述像素区101的光学黑体区102；对应于所述像素区101，所述半导体基底100中形成有多个第一沟槽隔离103，对应于所述光学黑体区102，所述半导体基底100中形成有多个第二沟槽隔离104，所述第一沟槽隔离103和所述第二沟槽隔离104均从所述背面沿远离所述背面的方向延伸且具有相同的深度，而所述第一沟槽隔离103的宽度小于所述第二沟槽隔离104的宽度。
本实施例的背照式图像传感器中，对应于像素区101的半导体基底100中形成的第一沟槽隔离103可以隔离照射到像素区101的各像素的入射光，同时，可以使入射光(尤其是近红外光)在半导体基底100中进行多次反射，增加了入射光的光程，从而使得入射光可以与半导体基底100充分作用，产生较多的光电子，有助于图像传感器捕获较多的电荷，增大背照式图像传感器的量子效率(QE)，提高背照式图像传感器的成像质量，而且，对应于光学黑体区102的半导体基底100中形成的第二沟槽隔离104的宽度大于第一沟槽隔离103，可以有效阻挡来自像素区101的散射光进入光学黑体区102，减小散射光对光学黑体区102的影响，有助于增大背照式图像传感器的色阶覆盖范围并进一步提高图像传感器的成像质量。
具体的，所述半导体基底上具有相对的背面和正面，在所述半导体基底100的正面上，还可以形成有导电结构，所述导电结构可以将像素区101中产生的电信号导出，还可以将外部区域的电信号传递到所述半导体基底100内，实现背照式图像传感器内部的互连。在所述像素区101对应的半导体基底的背表面上，可以形成有滤光层，在所述滤光层上还可以形成有微透镜，部分入射光在经过所述微透镜和所述颜色滤镜后可以被过滤掉，未被过滤的部分入射光可以进入半导体基底中。
本实施例中，多个所述第一沟槽隔离103可以等间距平行设置在像素区101对应的半导体基底100中，多个所述第二沟槽隔离可以等间距平行设置在光学黑体区102对应的半导体基底100中，而且所述第一沟槽隔离103之间的间距与所述第二沟槽隔离104之间的间距可以相等，例如均对应于相邻两个像素之间的间距，以对入射到各个像素的入射光进行隔离。第一沟槽隔离103和第二沟槽隔离104可以利用同一工艺制作。所述第一沟槽隔离103和所述第二沟槽隔离104包括填充材料，所述填充材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。例如，所述第一和第二沟槽隔离的侧壁和底面形成有氮化硅层，所述氮化硅层上形成有氧化硅层，所述氧化硅层的上表面可以与所述半导体基底的背面齐平。
本实施例的第一沟槽隔离103和第二沟槽隔离104的纵截面形状可以为矩形。在其它实施例中，第一沟槽隔离和第二沟槽隔离的纵截面形状均可以为梯形，其位于半导体基底背面一侧的宽度大于其远离半导体基底背面一侧的宽度，且第二沟槽隔离的开口宽度、中间宽度和底面宽度均可以大于第一沟槽隔离。所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离的横截面的形状可以均为矩形。
一实施例中，所述第二沟槽隔离104的宽度可以为所述第一沟槽隔离103的宽度的3～6倍，例如为3倍、4倍、5倍或6倍，第一沟槽隔离103和第二沟槽隔离104的具体宽度数值可以根据背照式图像传感器的芯片以及像素尺寸设计。所述第一沟槽隔离103和所述第二沟槽隔离104的深度范围可以为1.4μm～2.0μm。一实施例中，所述第一沟槽隔离103和所述第二沟槽隔离104可以贯穿所述半导体基底100。
本实施例中，对应于所述光学黑体区102设置的各个第二沟槽隔离104的宽度相等且均大于第一沟槽隔离103的宽度。但是不限于此，一实施例中，所述光学黑体区102中距离像素区101最近的深沟槽隔离可以设置为第二沟槽隔离，光学黑体区中其余的深沟槽隔离可以设置为第一沟槽隔离，也就是说，可以只对光学黑体区最靠近像素区的深沟槽隔离进行加宽，只要可以达到阻挡散射光进入光学黑体区的作用即可。
图7为本发明另一实施例的背照式图像传感器沿图1中AA方向的剖面示意图。参考图1和图7，在平行于半导体基底100背面的平面内，所述像素区101可以包括有效像素区101a和位于所述光学黑体区102与所述有效像素区101a之间的虚设像素区101b(Dummypixel area)，其中，用于生成图像的有效像素可以对应于所述有效像素区101设置；而虚设像素区101b的像素不用于生成图像传感器的图像。
具体的，参见图7，一实施例中，对应于所述有效像素区101，所述半导体基底100在任意两个相邻的第一沟槽隔离103间可以设置有第三沟槽隔离105，所述第三沟槽隔离105可以从所述半导体基底100的背面沿远离所述背面的方向延伸，所述第三沟槽隔离105的深度可以小于所述第一沟槽隔离103的深度，即，所述第三沟槽隔离105可以作为浅沟槽，而第一沟槽隔离103和第二沟槽隔离104可作为深沟槽。所述第三沟槽隔离105可以增加入射光的散射，增加入射光的光程，进一步增大背照式图像传感器的量子效率，提高背照式图像传感器的成像质量。
具体的，对应于有效像素区101设置的所述有效像素可以包括光电二极管(靠近半导体基底100的正面)，光电二极管可以将入射光转换为电信号。所述有效像素间可以通过所述第一沟槽隔离103进行隔离，以避免相邻有效像素之间的互扰。
所述第三沟槽隔离105包括填充材料，所述填充材料可以包括氧化硅或氮化硅中的至少一种。所述第一沟槽隔离103的深度可以为所述第三沟槽隔离105的深度的1.5倍～3倍。
对应于所述虚设像素区101b，所述半导体基底100可以至多在部分相邻第一沟槽隔离103间设置有所述第三沟槽隔离105。换言之，对应于虚设像素区101b的半导体基底100上的第一沟槽隔离103，可以选择性的在部分相邻的两个第一沟槽隔离103间设置第三沟槽隔离105。
可选的，距离所述光学黑体区102最近的一个所述第一沟槽隔离103和距离所述虚设像素区101b最近的一个所述第二沟槽隔离102之间未设置所述第三沟槽隔离。可选的，距离所述光学黑体区102最近的前若干个所述第一沟槽隔离103和距离所述虚设像素区101b最近的前若干个所述第二沟槽隔离104之间未设置所述第三沟槽隔离105。
本实施例的背照式图像传感器，由于照射到虚拟像素区的光线不用来生成图像，因而在虚拟像素区选择性地设置第三沟槽隔离105基本不会对图像传感器的生成图像产生影响，并且，在不影响背照式图像传感器量子效率的基础上，可以减小光学黑体区102边缘的入射光的散射，进一步减小散射光进入光学黑体区102的概率，降低散射光对光学黑体区102的影响，提高所述背照式图像传感器的成像质量和色阶覆盖范围。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括背面作为光入射面的半导体基底，在平行于背面的平面内，所述半导体基底上设置有像素区以及包围所述像素区的光学黑体区；对应于所述像素区，所述半导体基底中形成有多个第一沟槽隔离，对应于所述光学黑体区，所述半导体基底中形成有多个第二沟槽隔离，所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离均从所述背面沿远离所述背面的方向延伸且具有相同的深度，而所述第一沟槽隔离的宽度小于所述第二沟槽隔离的宽度。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第二沟槽隔离的宽度为所述第一沟槽隔离宽度的3～6倍。
3.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离的深度范围为1.4μm～2.0μm。
4.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，多个所述第一沟槽隔离等间距平行设置，多个所述第二沟槽隔离等间距平行设置，且所述第一沟槽隔离之间的间距与所述第二沟槽隔离之间的间距相等。
5.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离包括填充材料，所述填充材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。
6.如权利要求1至5任意一项所述的背照式图像传感器，其特征在于，在平行于背面的平面内，所述像素区包括有效像素区和位于所述光学黑体区与所述有效像素区之间的虚设像素区，其中，用于生成图像的有效像素对应于所述有效像素区设置；对应于所述有效像素区，所述半导体基底在任意两个相邻的第一沟槽隔离间设置有第三沟槽隔离，所述第三沟槽隔离从所述背面沿远离所述背面的方向延伸，所述第三沟槽隔离的深度小于所述第一沟槽隔离的深度。
7.如权利要求6所述的背照式图像传感器，其特征在于，对应于所述虚设像素区，所述半导体基底至多在部分相邻第一沟槽隔离间设置有所述第三沟槽隔离。
8.如权利要求6所述的背照式图像传感器，其特征在于，距离所述光学黑体区最近的一个所述第一沟槽隔离和距离所述虚设像素区最近的一个所述第二沟槽隔离之间未设置所述第三沟槽隔离。
9.如权利要求6所述的背照式图像传感器，其特征在于，距离所述光学黑体区最近的前若干个所述第一沟槽隔离和距离所述虚设像素区最近的前若干个所述第二沟槽隔离之间未设置所述第三沟槽隔离。
10.如权利要求6所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽隔离的深度为所述第三沟槽隔离的深度的1.5～3倍。
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